北大彭练矛-张志勇Science重磅：首次实现5nm碳纳米管CMOS器件 打破传统硅基极限

【引语】

传统硅基互补金属-氧化物半导体（CMOS）技术在次10纳米技术节点正逐渐接近其性能极限，后续由于来自物理定律和制造成本的限制，性能难以继续提升。而基于半导体单壁碳纳米管（s-SWCNT）的 场效应晶体管（FETs）工艺正逐步接近次10纳米技术节点，由于其具有纳米维度尺寸、高迁移率和高稳定性等优点，从理论上讲，碳纳米管比硅材料以及其他传统半导体材料（Ge 和InGaAs等）具有更好的尺寸性质，在CMOS-FETs应用方面具有更好的开态性能，是有望替代硅材料的“候选者”。而目前为止，基于碳纳米管的CMOS FETs在50纳米栅长和20纳米围栅尺寸，均优于硅基CMOS-FETs。而次10纳米碳纳米管的CMOS FET由于工艺和技术原因尚未有报道。

【成果简介】

北京大学彭练矛和张志勇（共同通讯作者）等人制备了10纳米栅长（对应5纳米技术节点）的顶栅碳纳米管场效应晶体管，在相同尺寸下，其性能已经超越硅基互补金属-氧化物半导体（CMOS）FETs。通过对栅长尺寸缩小影响器件性能的研究发现，相比硅基器件，使用石墨烯接触的碳纳米管场效应晶体管表现出更优的性能，包括更快的响应速度、更低的驱动电压（碳纳米管0.4 V，硅0.7 V）、亚阈值摆幅更小（73 mV/decade）。p型和n型器件的亚阈值摆幅均为70 mV/DEC（DEC表示倍频程）；器件性能不仅远远超过已发布的所有碳管器件，并且在更低的工作电压（0.4 V）下p型和n型晶体管的工作性能均超过了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V电压下的性能（英特尔公司的14 nm节点）；特别是碳管CMOS晶体管本征门延时仅0.062 ps，相当于14 nm硅基CMOS器件（0.22 ps）的1/3。5纳米CNT FETs已经接近场效应晶体管的量子极限，实现场效应晶体管的单电子开关操作。与此同时，课题组研究接触尺寸缩减对器件性能的影响，探索器件整体尺寸的缩减，将碳管器件的接触电极长度缩减至25 nm，在保证器件性能的前提下，实现了整体尺寸为60 nm的碳管晶体管，并且成功演示了整体长度为240 nm的碳管CMOS反相器，这是目前所实现的最小的纳米反相器电路。

【图文导读】

图1 10-nm CNT CMOS FETs的结构和性能

A、P型、N型和栅堆叠型碳管晶体管截面透射电镜图，栅长10纳米，沟道长度20纳米；B、转移特性曲线；C-D 10纳米栅长CNT CMOS FETs和商业硅基CMOS晶体管（英特尔14纳米-黑色实线、22纳米-棕色实线）的输出特性比较。

图2 5-nm CNT FETs的结构和性能

A、常规Pd-接触的CNT FET（上）和石墨烯接触（下）的CNT FET的SEM图像；B、石墨烯接触CNT FET的结构示意图；C、石墨烯接触CNT FET在开态和关态时的能带结构示意图；D、三个典型石墨烯接触CNT FET的转移特征曲线，栅长10纳米，亚阈值摆幅为60 mV/decade；E、三个典型石墨烯接触CNT FET的转移特征曲线，栅长5纳米，亚阈值摆幅为73 mV/decade.

图3 CNT CMOS FETs和传统硅基CMOS FET的性能对比

A、不同的次100纳米CNT FET的器件开态电流比较；B、CNT FET和Si FET的亚阈值摆幅和栅极尺寸的关系；C-D、相比Si MOS FET，CNT CMOS FET的EDP和响应延迟与栅极尺寸的关系；E、10纳米n型CNT FET（绿色线）和14纳米n型Si FET（橘黄色线）的开关比和栅极延迟的关系；F、10纳米栅长和25纳米接触长度的器件结构。

图4 接触长度依赖关系的CNT CMOS FET的性能研究

A、接触长度分别为100，60和25纳米的CNT n型FET的转移特征曲线（源漏电压为0.1V时）；B、p型（蓝星）和N型（橄榄色）CNT FET的接触电阻和栅极尺寸的关系；C、CNT CMOS反相器的SEM图像；CNT CMOS反相器的转移特征曲线。

【小结】

该研究成果不仅表明在10 nm以下的技术节点，碳纳米管CMOS器件较硅基CMOS器件具有明显优势，且有望达到由测不准原理和热力学定律所决定的二进制电子开关的性能极限，更展现出碳纳米管电子学的巨大潜力，为2020年之后的集成电路技术发展和选择提供了重要参考。

【文献链接】

Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aaj1628）

本文由材料人编辑部灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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